試論全光纖電流互感器的溫度特性

冮若嘉　趙婉旭

摘 要：智能電網的應用并逐漸普及，原有的電磁式電流互感器已經遠遠不能滿足現代智能電網的需要，全光纖電流互感器的誕生和應用，有效解決了電磁式電流互感器的多種弊端。鑒于全光纖電流互感器受溫度影響作用較大的問題，該文從全光纖電流互感器的基本結構和原理出發，通過建立數學模型來分析溫度對全光纖電流互感器的影響作用，對全光纖電流互感器隨溫度漂移的問題進行研究，由此得出比差與溫度之間呈現為近似線性的關系，在此基礎上進行有效的精度補償，可以進一步提高光纖電流互感器的穩定性。

關鍵詞：全光纖電流互感器 溫度特性 比差 溫致線性雙折射

中圖分類號：TM452 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（c）-0055-02

國家電網的發展建設，智能電網逐漸建立并應用起來，對于輸電電路的要求也越來越高。原有的電磁式電流互感器性能已經遠遠不能滿足現代電網輸電線路的需要，全光纖電流互感器應運而生。全光纖電流互感器（以下簡稱FOCT），是電子互感技術發展的標志性產物，其原理是以Sagnac干涉法為基礎研發的一種新型電流互感器。FOCT的應用使原有電磁式電流互感器所具有的種種弊端得以良好解決，表現出良好的性能，應用前景廣闊。

1 光纖電流互感器的概述

光學電流互感器自20世紀70年代誕生并應用以來，其性能非常優越。如果按照實現方式可以將光學電流互感器分為兩種類型，即磁光玻璃式電流互感器和全光纖電流互感器，該文即對后者進行重點研究和分析。FOCT是以光纖為主要載體，用于電流傳感，在整個系統中，每一個元件的裝置都是采用光纖溶解的方式來進行連接，沒有獨立的元件存在，是一個完整的系統。FOCT相較于傳統的電磁式電流互感器，具有結構完整簡單，可靠性高，穩定性好等特點，因為是在光纖的基礎上來制作和裝置光學元件，因此整個系統表現出良好的一致性，工藝上也趨于成熟，抗振性好。FOCT光纖傳感安全靈活簡便，體積小，重量輕，可在多種設備中組合應用，在直流測量中應用效果也良好，適應性很強，應用范圍十分廣泛。因為FOCT沒有其他有源電子式互感器所必須安裝在戶外的電子元件，這使得其可靠性得到大幅提升，更容易滿足電網建設的要求。基于這些優勢，FOCT自應用以來受到業內廣泛關注和認可，逐漸成為現代電子式電流互感器的主流產品。

即使FOCT有上述多方面的優勢，但是我們也需要認清其所存在的缺陷，就是FOCT比差容易受溫度變化的影響而發生漂移，這一問題一直以來是FOCT研究課題中關注的重點和難點問題，也限制了FOCT的推廣和應用。

2 FOCT的基本原理

如圖1所示為FOCT的光路結構圖，FOCT是在Faraday磁光效應的基礎上建立起來的，根據Sagnac干涉原理來開展電流傳感信號檢測。激光經由光纖耦合器，再經過起偏器后在激光偏振分光后，從原有的一束激光轉變為呈垂直方向的兩條偏振光，兩條偏振光經直波導相位調制器和光纖延時線后仍然保持正交狀態。經波片后兩束正交光轉變為呈左旋和右旋狀態的圓偏振光，受Faraday磁光效應的影響，兩種圓偏振光產生相位差。在末端反射鏡的發射作用下兩束光返回同時偏振方向互換，再次受Faraday磁光效應的影響作用，二者之間的相位差翻倍。因為二者的相位差中帶有能夠被探測到的電流信息，使得光強信號經耦合器輸出抵達光電探測器PD并實現了光電之間的有效轉換，解調電路從PD輸出的電信號中解調出一次電流的信息。

3 FOCT的溫度特性

外界溫度的變化對于FOCT具有直接的影響作用，這種影響主要來自于對Verdet常數影響的同時會使其產生溫致線性雙折射。光纖纖芯和包層兩者之間在熱膨脹系數方面是存在差異的，當溫度發生變化時，二者伸縮量不同自然產生的應力也不同，而應力對傳感光纖產生一定的作用就會造成線性雙折射產生。Verdet常數與溫致線性雙折射會對FOCT共同產生一定的影響作用，直接會對FOCT的精度造成不利影響，進而導致比差隨著溫度的變化而發生溫度漂移。

3.1 溫度對Verdet常數的影響

Verdet常數是表示傳感光纖磁場能力反映的一項重要參數，同FOCT比差之間有著十分緊密的聯系。溫度的變化會對Verdet常數有一定的影響作用，其數值隨著溫度的波動而變化。在25 ℃的溫度條件下，用來表示Verdet常數，用t來表示溫度，則Verdet常數的溫度特性可表示為：

由此可以看出溫度與Verdet常數之間呈線性關系。

3.2 溫度對溫致線性雙折射的影響

受熱脹冷縮的影響，纖芯和包層會因為溫度的變化而發生伸縮作用進而產生一定的應力，應力會在不同的接觸面上產生不同的剪切應力。光纖受到應力的作用而產生溫致線性雙折射相位差，如果溫度差用來表示，則，用P來表示常用系數，λ來表示入射光波長，則致線性雙折射相位差為：

從上式中可以看出，溫度與溫致線性雙折射之間呈正比關系。

3.3 溫度對FOCT的影響

根據上述對溫度與Verdet常數、溫致線性雙折射之間的關系的研究，我們可以建立其FOCT溫度的數學模型：

基于數學模型，我們對溫度與FOCT之間的關系進行分析，在保持溫度不變的情況下，就算線性雙折射存在，因為變比沒有發生變化，那么比差依然保持很高的精度，不會產生漂移的情況。當溫度發生波動變化時，因為受溫致線性雙折射的影響，FOCT變比隨之發生改變，從而FOCT的比差發生變化，隨著溫度的變化而發生漂移，精確度下降。可見，溫差越大，溫致線性雙折射的相位差也會隨之增加，因為呈線性的關系，相應的比差漂移也會加大。

4 結語

根據FOCT的基本原理，根據光纜結構簡圖，對FOCT的溫度特性采用數學模型的方法進行研究和分析，結果發現，纖芯和包層的伸縮膨脹是產生溫致線性雙折射的根本原因，同時Verdet常數也會因為溫度的變化而相應發生變化，而這正是引起FOCT變比誤差產生的直接原因，也因此發生比差漂移的問題。由此可見，溫度的變化會對FOCT比差有直接的影響，如果采取相應的補償措施，就會減小乃至規避比差漂移，使其保持良好的精確度。

參考文獻

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